Chapitre I
Propriétés des matériaux III-V
INTRODUCTION
L'importante croissance des semi-conducteurs au niveau mondial est liée au fait
que ces matériaux forment la base de la révolution technologique de ces quarante
dernières années dans le domaine de l'électronique qui, au sens large représente le
marché mondial le plus important à l'heure actuelle en même temps que celui qui
bénéficie de la croissance la plus rapide. Les matériaux semi-conducteurs interviennent
principalement en microélectronique (dominée par le Silicium), dans les domaines
radiofréquences et hyperfréquences; applications militaires et spatiales ainsi qu'en
optoélectronique. L'activité de recherche concernant la microélectronique, est
importante et porte sur la recherche de nouveaux matériaux, de nouveaux procédés, de
nouvelles architectures de transistors pour répondre à des besoins différents (calcul
logique, mémoires, analogique,...).
I.1-Propriétés des matériaux III-V
Les matériaux III-V sont constitués des éléments des colonnes IIIb et Vb de la
classification périodique des éléments. Le tableau (I-1)[1] regroupe un extrait de cette
classification (les chiffres en haut et en bas représentent respectivement le nombre
atomique et la masse atomique). Ainsi, de nombreux composés binaires peuvent être
réalisés.
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Propriétés des matériaux III-V
IIIb
13
IVb
14
Al
Vb
15
Si
P
26,98
28,09
30,97
31
32
33
Ga
Ge
As
69,74
72,59
74,92
49
50
51
In
114,82
Sn
118,69
Sb
121,75
Tableau I-1 : extrait de la classification périodique des éléments.
L'étude de leur structure de bandes montre toutefois, que les éléments les
plus légers donnent des composés dont la bande interdite est large et indirecte, et
dans laquelle la masse effective des électrons est élevée. Des matériaux, comme
les composés contenant du bore, ou de l'aluminium, sont ainsi moins intéressants
pour l'électronique rapide. Le tableau (I-2) résume cette situation en donnant
l'énergie Eg de bande interdite, la masse effective m*/m0 (où m* et m0 sont
respectivement la masse effective et la masse de l'électron dans le vide) des
électrons du bas de la bande de conduction, la mobilité électronique à champ
faible µ et le paramètre cristallin a et α (Г) coefficient de non parabolicité de la
vallée Г.Des semi-conducteurs binaires comme l'arséniure de gallium (GaAs),
l'antimoniure de gallium (GaSb), le phosphure d'indium (InP), l'arséniure
d'indium (InAs), l'arséniure d'aluminium (AlAs), mais également les alliages
ternaires et quaternaires qui en découlent, présentent des propriétés très
intéressantes pour les applications hyperfréquences. Ces alliages ternaires et
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Propriétés des matériaux III-V
quaternaires sont réalisés par substitution partielle de l'un des éléments par un
élément de la même colonne. On sait, par exemple, obtenir des alliages du type
GaxAl1-xAs ou du type GaxIn1-xAs.
a (Å)
α (Г)
(mev/k)
7,5
3,6150
0.593
Al P
2,45
5,4510
0.5771
Al As
2,16
5,6605
0.885
Al Sb
1,58
6,1355
0.420
BP
2,0
Ga N
3,36
0,19
380
4.50
0.593
Ga P
2,26
0,82
110
5,4512
0.5771
Ga As
1,42
0,067
8500
5,6533
0.5405
Ga Sb
0,72
0,042
5000
6,0959
0.417
In P
1,35
0,077
4600
5,8686
0.363
In As
0,36
0,023
33000
6,0584
0.276
In Sb
0,17
0,0145
80000
6,4794
0.320
Composé
III-V
Eg
(eV)
BN
m*/m0
0,12
µ
(cm²/V.s)
200
4,5380
Tableau I-2 : propriétés des principaux composés binaires III-V à 300
K.
Représente les variations de l'énergie de bande interdite en fonction du
paramètre cristallin a qui varie lui même avec la composition. Les points du
graphe figurent la position des composés binaires stœchiométriques, et les
lignes représentent l'évolution du gap Eg et du paramètre cristallin a, en
fonction de la composition des alliages ternaires. Certaines lignes présentent un
point anguleux qui dénote une transition entre un gap direct et un gap indirect.
Ce diagramme est donc très important parce qu'il permet de connaître la
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composition de tout alliage ternaire susceptible d'être déposé en couche mince,
par épitaxie, sur un substrat binaire comme GaAs ou InP. Les matériaux III-V
offrent donc une grande variété de compositions permettant de modifier leurs
propriétés électroniques.
I.2-Structure cristalline
La plupart des matériaux III-V cristallisent dans la structure sphalérite dite "Zinc
Blende" présentée sur la figure (I-1). Cette structure, qui s'apparente à celle du diamant
(C, Ge, Si, etc.), est constituée de deux sous-réseaux cubique face centrée (cfc), l'un
d'éléments III et l'autre d'éléments V, décalés l'un par rapport à l'autre du quart de la
3 [111], où a représente le paramètre de
4
diagonale principale, c'est-à-dire de a
maille du matériau.
Figure I-1 : mailles cristallographiques des structures Diamant et Zinc Blende.
De ce fait, dans les matériaux III-V, les liaisons atomiques ne sont pas simplement
covalentes comme dans le silicium. Elles reposent sur le transfert d'électrons des
atomes du groupe V sur ceux du groupe III. Dans le cas du phosphure d'indium, le
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Chapitre I
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phosphore possède cinq électrons périphériques et l'indium trois. Dans le cristal, chaque
atome de phosphore est entouré de quatre atomes d'indium, et chaque atome d'indium
est entouré de quatre atomes de phosphore. Il se produit alors un échange d'électrons, et
le cristal se construit avec les ions (P+) et ( In-) , qui ont tous quatre électrons
périphériques. Cette répartition est à l'origine du caractère partiellement ionique et
partiellement covalent des liaisons (semi-conducteurs polaires), qui sont orientées dans
l'espace suivant les axes de symétrie d'un tétraèdre régulier.
Rappelons que la zone de Brillouin des réseaux cfc à la forme d'un octaèdre tronqué par
les six faces d'un cube [2], comme cela est illustré sur la figure (I-5-a). Elle présente un
centre de symétrie à l'origine (noté Γ) et des axes de symétrie :
 les axes < 100 > à symétrie d'ordre 4 (Δ),
 les axes < 111 > à symétrie d'ordre 6 (Δ),
 les axes < 011 > à symétrie d'ordre 2 (Σ).
Figure I-2 : a) première zone de Brillouin d'un cristal Zinc-Blende,
b) plans et directions cristallographiques d'un substrat de GaAs.
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Chapitre I
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Les points de rencontre de chacun de ces axes avec les frontières de la zone de
Brillouin jouent un rôle essentiel dans la théorie des bandes. On les note généralement
de la manière suivante :
 points X de coordonnées (2  /a, 0, 0) sur les axes < 100 >.
 points L de coordonnées (  /a,  /a,  /a) sur les axes < 111 >.
 points K de coordonnées (0, 3  /2a, 3  /2a) sur les axes < 011 >.
Il est à noter que les deux sous-réseaux cfc de la structure Zinc Blende, du fait de
leur décalage a/4 [111], ne sont pas centrosymétriques. Il en découle des propriétés
physiques différentes suivant les directions cristallographiques considérées. On peut
notamment citer l'anisotropie d'attaque chimique et l'anisotropie des caractéristiques
mécaniques. Ainsi, comme l'illustre la figure (I-5-b), les substrats sont repérés par des
méplats (un petit et un grand) qui permettent le repérage des directions
cristallographiques.
I.3-Structure des bandes d'énergie :
La description la plus significative des surfaces d'énergie offertes aux électrons
s'effectue dans l'espace réciproque ou espace des vecteurs d'onde k [3]. On simplifie
généralement cette description en considérant les variations de l'énergie E en fonction
de k selon les directions de plus haute symétrie de cet espace. Dans ces directions, et en
se limitant à la première zone de Brillouin, la structure des bandes dans les composés
III-V, qui nous intéressent, présente l'allure typique de la figure (I-6) représentant la
structure de bandes .
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Chapitre I
Propriétés des matériaux III-V
Figure I-3 : structure de bandes du phosphure d'indium au centre de la zone de
Brillouin (à titre d’exemple).
Les bandes de conduction et de valence sont multiples, mais les propriétés de
transport électronique dépendent principalement de la structure de la bande de
conduction la plus basse (BC) et de celle de la bande de valence la plus élevée (BV).
Les semi-conducteurs III-V que nous utiliserons sont à "transitions directes". Cela
signifie que l'énergie minimale Г 1 de la bande de conduction et l'énergie maximale Г 15
de la bande de valence sont localisées au centre de la zone de Brillouin. Ceci a des
conséquences importantes du point de vue des propriétés électroniques et optiques. La
bande de conduction présente par ailleurs une courbure généralement très accentuée au
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Chapitre I
Propriétés des matériaux III-V
voisinage de son minimum Г. La masse effective des électrons étant inversement
proportionnelle à cette courbure, ceci explique pourquoi, dans les semi-conducteurs
III-V à bande interdite directe comme GaAs, InP, GaInAs, etc., la masse effective des
électrons en Г est très faible et, par conséquent, la mobilité électronique élevée.
On note également la présence de deux vallées latérales sur la bande de conduction,
en bordure de la zone de Brillouin : vallée L dans la direction < 111 > et vallée X dans
la direction < 100 >. Réparties dans l'espace, il existe quatre vallées de type L
équivalentes et trois de type X. Ces vallées sont caractérisées par une courbure faible et,
par conséquent, par des électrons ayant une masse effective élevée et une faible
mobilité. La structure de bandes permet de mieux comprendre certains mécanismes que
nous allons maintenant décrire.
I.4-La saturation de vitesse :
Dans certains matériaux comme GaAs et InP, les minima de ces vallées satellites et
le minimum Г sont séparés par une énergie de l'ordre de quelques dixièmes
d'électronvolt. Ils sont donc accessibles à des électrons ayant gagné de l'énergie par un
quelconque mécanisme.
Considérons par exemple un ensemble d'électrons dont l'énergie
 se situe au
voisinage du minimum Г. Leur masse effective est faible et leur mobilité élevée. S'ils
gagnent de l'énergie en s'échauffant dans un champ électrique intense, ils vont monter
dans la vallée Г et pouvoir être portés à un niveau énergétique égal ou supérieur au
minimum de L ou X. Une collision avec un phonon leur communiquant le complément
d'impulsion nécessaire peut alors les "transférer" dans l'une des vallées satellites. Les
électrons transférés voient leur énergie cinétique diminuer de l'énergie de transfert  
et ont une masse effective très accrue. Ils sont alors brusquement ralentis. Cette
situation est à l'origine de la saturation de vitesse de transport v des électrons, observée
dans les matériaux III-V, lorsque le champ électrique E augmente (courbe v(E)
présentant une décroissance en champs forts) [3].
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Chapitre I
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I.5-Les hétérostructures de matériaux :
Les transistors HEMT sont des composants dont le fonctionnement repose sur
l'existence d'hétérojonctions semi-conducteur/semi-conducteur. En effet, le changement
abrupt de structure de bandes à l'hétéro-interface entre deux semi-conducteurs conduit à
l'apparition de discontinuités (offsets) à la jonction des bandes de conduction ou de
valence, c'est-à-dire à des sauts de potentiel. Cela est illustré par le diagramme de
bandes d'une hétérojonction dont l'établissement nécessite la connaissance de l'affinité
électronique des deux semi-conducteurs. L'application des règles d'Anderson [4] permet
de déterminer les positions respectives des bandes de valence et de conduction à
l'interface. La forme de la barrière dépend alors de la différence des travaux d'extraction
et de la position du niveau de Fermi dans les deux matériaux.
La particularité des composants à hétérostructures résulte de leur capacité à
contrôler le flux et la distribution des électrons et des trous à travers ces décalages de
bandes. Leurs progrès n’ont été rendus possible que par l'avancée des techniques
d'épitaxie, et notamment de l'épitaxie par jets moléculaires.
Les hétérojonctions sont classées en différents types suivant le type d'offset qui se
produit à l'hétérojonction abrupte de semi-conducteurs. Dans l'hétérojonction de type I,
figure (I-7-a), les offsets de bande pour la bande de conduction et de valence agissent
comme des barrières de potentiel et gardent les électrons et les trous dans le matériau de
plus petit gap. Les hétérojonctions de type II sont à gap décalé, figure I-7-b, ou brisé,
figure (I-7-c). Dans ces situations, électrons et trous sont alors séparés dans l'espace,
avec les électrons diffusant dans un matériau et les trous dans l'autre.
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Chapitre I
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Figure I-4 : diagrammes schématiques montrant les différent types d'hétérojonction.
Dans le cas du HEMT, l'hétérojonction la plus importante est sans doute celle que
nous avons décrite précédemment, à savoir l'hétérojonction permettant le transport
horizontal d'électrons dans un gaz bidimensionnel. En effet, cette hétérojonction va
contribuer à définir des filières de composants comme nous le verrons au paragraphe
suivant. Toutefois, nous pouvons voir sur la figure (I-8), représentant la structure des
bandes de valence et de conduction d'un HEMT, que chaque hétérojonction a de
l'importance dans la mesure où les transports horizontaux et verticaux des électrons et
des trous s'en trouvent influencés[5].
Figure I-5 : représentation des bandes de conduction et de valence d'un HEMT
AlInAs/GaInAs adapté en maille sur InP comportant un plan de dopage.
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Chapitre I
Propriétés des matériaux III-V
Lorsqu’on incorpore de l’indium dans AlAs (Arséniure d’aluminium) en
substitution à l’aluminium, l’encombrement stérique de l’indium étant supérieur à celui
de l’aluminium, il va en résulter une augmentation du paramètre de maille du composé.
La variation est en première approximation linéaire avec x.
Si on veut obtenir un accord de maille parfait entre Al xIn1-xAs et InP sachant que les
paramètres de maille sont respectivement
a = 5.65+ 0.4x et 5.86A°
a (AlInAs) = a (InP) = 5.86A°. Cet accord de maille est réalisé pour x = 0.52
Donc l’alliage obtenu est: Al0.52 In0.48 As
CONCLUSION
Dans ce chapitre on a présenté les propriétés physiques des matériaux III-V, ainsi
que les structures cristallines, les bandes d’énergies, et les hétérostructures.
L’utilisation des matériaux composés apporte de nombreux avantages en termes de
propriétés des matériaux. En effet, le but de leur fabrication est de profiter des bonnes
propriétés de chaque matériau afin d’en former un qui sera mieux adapté à certaines
applications. La combinaison de deux matériaux ou plus, permet donc d’améliorer les
propriétés d’un matériau, est cela a fait l’objet de plusieurs étude et l’intérêt de
plusieurs chercheurs.
Dans ce chapitre on a présenté les propriétés physiques des matériaux III-V, ainsi
que les structures cristallines, les bandes d’énergies, et les hétérostructures.
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